技術(shù)盛宴 | Wi-Fi 6真的很“6”（技術(shù)篇）前方高能，小白慎入

通過上一期文章《技術(shù)盛宴 | Wi-Fi 6真的很“6”（概述篇）——不只是更高的傳輸速率》，想必大家對于Wi-Fi 6有了初步認(rèn)識，這次我將接著上期的內(nèi)容，對Wi-Fi 6提升的技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行深入解讀，讓大家從原理出發(fā)，實(shí)實(shí)在在地感受Wi-Fi 6的“6”。

一、Wi-Fi 6關(guān)鍵技術(shù)特性回顧

Wi-Fi 6主要有以下幾個技術(shù)特點(diǎn)：

提速

更高階的調(diào)制方式（1024-QAM）、更多的子載波數(shù)量和更低的幀間隔開銷等，通過這些技術(shù)Wi-Fi 6的最大連接速率提升到9.6 Gbps；

高密接入

通過完整MU-MIMO（多用戶多進(jìn)多出）與上下行OFDMA（正交頻分多址），提升高密度部署場景下的并發(fā)能力和終端平均速率；

抗干擾

引入4G LTE的小區(qū)空間復(fù)用技術(shù)(SR)，大幅度降低AP之間的相互干擾，提升接入容量和穩(wěn)定性；

其他技術(shù)特點(diǎn)

節(jié)電管理技術(shù)TWT（目標(biāo)喚醒時間）與同時支持2.4G/5G兩個頻段。

二、“6”的原因一：速率提升

在談Wi-Fi 6速率提升之前我們先來看一下Wi-Fi理論帶寬的計算公式，看看與Wi-Fi速率有關(guān)的性能因素有哪些。

Wi-Fi理論帶寬=(符號位長×碼率×數(shù)據(jù)子載波數(shù)量)×(1/傳輸周期)×空間流數(shù)。

符號位長

即每個數(shù)據(jù)子載波每次傳輸可以攜帶的數(shù)據(jù)長度，它由調(diào)制方式?jīng)Q定，如64-QAM是6bit，256-QAM是8bit，1024-QAM是10bit，體現(xiàn)了不同調(diào)制方式下的數(shù)據(jù)傳輸效率;

數(shù)據(jù)子載波數(shù)量

數(shù)據(jù)子載波數(shù)量由協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)和可用頻寬共同決定，在指定頻寬下的數(shù)據(jù)子載波數(shù)量越多，同步傳輸數(shù)據(jù)的能力越高；

碼率

與調(diào)制方式有一定關(guān)聯(lián)，不同調(diào)制方式對應(yīng)不同的碼率；在實(shí)際使用過程中碼率的選擇是由AP和終端根據(jù)信號強(qiáng)度、信號質(zhì)量等因素共同協(xié)商決定；

傳輸周期

即一次傳輸占用空口的時間，它由協(xié)議決定，Wi-Fi 5的傳輸周期為3.6微秒（包含GI時間--0.4us）;

空間流數(shù)

即通過MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術(shù)在多個天線上同時發(fā)送不同的數(shù)據(jù)流量，充分利用空間資源，成倍提升Wi-Fi性能（Wi-Fi 6與Wi-Fi 5的最大空間流數(shù)量的一致，均為8條空間流）。

所以從決定Wi-Fi理論帶寬的幾個因素來看，速率提升主要是由調(diào)制方式、數(shù)據(jù)子載波數(shù)量、碼率、傳輸周期和空間流等幾個指標(biāo)共同決定，對于和Wi-Fi 5協(xié)議保持一致的頻寬（20/40/80/160 MHz）和空間流（最大8條空間流）本次將不進(jìn)行詳細(xì)討論，同時，碼率主要與信號強(qiáng)度和信道質(zhì)量有關(guān)，所以本章節(jié)重點(diǎn)將圍繞調(diào)制方式、數(shù)據(jù)子載波數(shù)量和傳輸周期這幾個點(diǎn)展開來討論。

我們先從Wi-Fi 6的物理層幀結(jié)構(gòu)來看，看看能否找到重新設(shè)計的物理層幀結(jié)構(gòu)與Wi-Fi 6速率提升之間的關(guān)系。

▲圖1：Wi-Fi 6物理幀結(jié)構(gòu)

從圖1我們可以看到，一個完整的Wi-Fi 6物理幀包含物理幀頭、DATA和PE。物理幀頭主要負(fù)責(zé)同步和管理流量，PE負(fù)責(zé)傳輸一些設(shè)備能力信息，只有DATA數(shù)據(jù)幀里才是我們需要的有效數(shù)據(jù)。

DATA數(shù)據(jù)幀里面從時間軸上來看，又是由Payload（有效信息數(shù)據(jù)）和GI（Guard Interval，幀間隔）構(gòu)成的，GI的作用主要是為了防止兩個Payload之間有串?dāng)_，所以GI是引入的保護(hù)間隔，屬于傳輸開銷，只有Payload才是傳輸?shù)挠行��?shù)據(jù)信息。

從物理幀各個部分的作用里我們可以看出，物理幀里面決定Wi-Fi傳輸速率的主要是Payload的實(shí)際傳輸量，為了提高Payload的傳輸量有兩種方式，一是提高Payload的數(shù)據(jù)傳輸量（使用更高階的調(diào)制方式和增加數(shù)據(jù)子載波數(shù)），以提升有效數(shù)據(jù)傳輸量；二是在固定傳輸周期內(nèi)提升Payload的傳輸時間占比，在一個傳輸周期內(nèi)，Payload傳輸時間占比越高，傳輸?shù)男畔⒘烤驮酱�，速率自然就越高；下面我們就從這兩方面展開來看，詳細(xì)了解下Wi-Fi 6具體是如何提升傳輸效率及提高傳輸時間占比。

提速——更高階調(diào)制（1024-QAM）

調(diào)制方式?jīng)Q定無線信號子載波單個符號的數(shù)據(jù)密度，在相同頻寬下，使用更高階的調(diào)制技術(shù)就能實(shí)現(xiàn)更高速率的提升。

所謂調(diào)制，就是將0、1這種二進(jìn)制的數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為無線電波的過程，反之則稱為解調(diào)，不同調(diào)制方式，可以實(shí)現(xiàn)的傳輸能力有很大差異，調(diào)制方式越高階，轉(zhuǎn)換過程中數(shù)據(jù)密度就越高，常見幾種調(diào)制方式對比見圖2。

▲圖2：調(diào)制方式對比圖（從左至右為從低階到高階）

Wi-Fi 6引入了更高階的調(diào)制編碼方案1024-QAM，對比Wi-Fi 5的256-QAM，1024Q-AM物理層的協(xié)商速率提升了25%。那這提升的25%具體是怎么來的呢？下面我們先來看看調(diào)制方式和所攜帶數(shù)據(jù)密度的計算方式。

計算方法很簡單，QAM數(shù)值是2的N次方，對應(yīng)的符號位長就是N。因此，64-QAM符號位長6bit，表示一次可傳輸6bit的數(shù)據(jù)，256-QAM符號位長8bit，1024-QAM符號位長自然就是10bit，因此可以知道Wi-Fi 6對比Wi-Fi 5的物理層協(xié)商速率提升了25%。

Wi-Fi 4到Wi-Fi 6所支持的調(diào)制方式表如下：

▲表1：調(diào)制方式對應(yīng)表

表1中名詞解釋：

MCS（Modulation and Coding Scheme）調(diào)制與編碼策略表：調(diào)制方式與碼率的組合，Wi-Fi設(shè)備的實(shí)際連接速率，會在MCS這張表里動態(tài)自適應(yīng)選擇。當(dāng)無線信號強(qiáng)勁時，MCS會盡量選擇高階組合（高bit+低冗余），當(dāng)無線信號微弱時，MCS會盡量選擇低階組合（低bit+高冗余）。

碼率：調(diào)制過程中插入用于糾錯校驗(yàn)的有效數(shù)據(jù)與整體數(shù)據(jù)占比，如5/6表示5/6是有效數(shù)據(jù)，1/6是冗余數(shù)據(jù)。

提速——增加數(shù)據(jù)子載波數(shù)量

在說數(shù)據(jù)子載波占比前我們來看看什么是子載波。圖3是用頻譜分析儀捕獲的信號能量圖，仔細(xì)觀察振幅的高點(diǎn)，就會發(fā)現(xiàn)信號高點(diǎn)并不是平的，而是有很多小的突起，這些小突起就是子載波。

▲圖3：頻譜分析儀捕獲的信號能量圖

從頻譜分析儀器捕獲的信號能量圖可以看出，子載波之間是相互重疊的，那么子載波為什么相互重疊而不會互相干擾呢？這就不得不說OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分多路復(fù)用）調(diào)制了。OFDM調(diào)制（這里的調(diào)制與前面提到的QAM調(diào)制不同，QAM調(diào)制是星座圖映射，屬于基帶調(diào)制，就是將0、1比特調(diào)制編碼，是信源編碼；OFDM調(diào)制是將信源編碼的結(jié)果調(diào)制到射頻上，然后發(fā)射出去，屬于信道調(diào)制）是一種特殊的多載波傳輸方案，OFDM調(diào)制技術(shù)將信道切分為子載波，提升了整個信道的使用率，從而提高了無線的傳輸速率，并通過頻率正交的方式解決子載波之間的相互干擾（利用快速傅利葉變換（FFT/IFFT）實(shí)現(xiàn)），從而大幅度的提高了頻寬的使用效率。

▲圖4：OFDM信號頻譜示意圖

由前面的Wi-Fi理論帶寬公式我們得知，理論帶寬與數(shù)據(jù)子載波的數(shù)量是成正比的。從OFDM調(diào)制方式來看子載波相互之間是疊加的，為了提升一個周期內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖虞d波數(shù)，我們可以讓相互疊加的子載波的間隔變的更小，以提高子載波數(shù)量。

Wi-Fi 6對子載波的間隔進(jìn)行了重新設(shè)計，將子載波間隔從Wi-Fi 5的312.5kHz，變成78.125kHz，通過把子載波間隔縮小4倍，即在相同信道頻寬(MHz)條件下，Wi-Fi 6的子載波數(shù)量也提升到Wi-Fi 5的4倍，如圖5所示：

▲圖5：Wi-Fi 5與Wi-Fi 6的子載波間隔對比

為了更直接地展現(xiàn)子載波數(shù)量提升帶來的效率提升，我們以相同信道頻寬80MHz時來計算一下Wi-Fi 5與Wi-Fi 6的有效數(shù)據(jù)子載波占比：

協(xié)議

子載波總數(shù)

有效數(shù)據(jù)子載波數(shù)

有效數(shù)據(jù)子載波占比

Wi-Fi 5

256

234

91.406%

Wi-Fi 6

1024

980

95.703%

▲表2：Wi-Fi 5與Wi-Fi 6在80MHz頻寬下有效子載波占比對比表

從表2的對比可以看出，Wi-Fi 6的有效數(shù)據(jù)子載波占比由91.406%提升到95.703%，效率提升了4.7%，物理層的理論傳輸速率也隨即提升了4.7%。

提速——提高有效時間占比

從前面對Wi-Fi 6的物理幀結(jié)構(gòu)分析我們得知，提速的另一個有效手段就是提高一個傳輸周期內(nèi)Payload（有效信息數(shù)據(jù)）的時間占比，那在固定傳輸周期的情況下，減小GI（Guard Interval，幀間隔）的時長，即可相應(yīng)的提高Payload的時間占比。

▲圖6：一個周期內(nèi)Payload和GI的時間軸示意圖

Wi-Fi 6協(xié)議規(guī)定了三種GI時長，分別是0.8微秒、1.6微秒和3.2微秒。結(jié)合上一章節(jié)，由于Wi-Fi 6重新設(shè)計了子載波間隔，在一個傳輸周期內(nèi)傳輸?shù)淖虞d波數(shù)量提升了4倍，這從時域上來看，信道調(diào)制時間也提升了4倍，即信道調(diào)制時間從Wi-Fi 5的3.2微秒變成12.8微秒，結(jié)合Wi-Fi 6新規(guī)定的三種GI，即可得出一個傳輸周期內(nèi)Payload的比例。

▲表3：Payload時間占比對應(yīng)表

從表3可以看出，當(dāng)GI時長為0.8微秒時，Wi-Fi 6的Payload時間占比從Wi-Fi 4/5的88.88%提升到了94.11%，效率提升了5.23%，即物理層的協(xié)商速率提升了5.23%。GI時間為1.6微秒和3.2微秒時效率對比Wi-Fi 4/5是沒提升的，但通過這種更長的GI時長設(shè)計，提升了多路徑干擾和室外遠(yuǎn)距離傳輸場景下無線傳輸?shù)姆�(wěn)健性。Wi-Fi 6 AP和終端會根據(jù)使用環(huán)境的不同自動協(xié)商出不同的GI時長，來保證各種類型環(huán)境下的最優(yōu)體驗(yàn)。

前面對速率提升的討論，我們重點(diǎn)從調(diào)制方式（符號位長）、子載波數(shù)量和子載波傳輸時間（傳輸周期）這三個方面進(jìn)行展開，關(guān)于頻寬、碼率和空間流等并未進(jìn)行展開，為讓大家更全面的了解一下Wi-Fi的帶寬，我們以Wi-Fi 6支持的最高碼率和最大空間流數(shù)來實(shí)際計算一下Wi-Fi 6支持的最大帶寬。

▲表4：Wi-Fi 6理論帶寬計算表

從表4可以看出，Wi-Fi 6標(biāo)準(zhǔn)在速率提升上下了很大功夫，給我們帶來實(shí)實(shí)在在的速率提升，這些速率的提升特別適合視頻、AR/VR、辦公場景等大流量的應(yīng)用，這些場景結(jié)合MU-MIMO/OFDMA技術(shù)能實(shí)現(xiàn)整個無線系統(tǒng)性能和容量的大幅度提升，接下來我們來看看MU-MIMO/OFDMA技術(shù)是如何提高無線系統(tǒng)容量的。

三、“6”的原因二：高密度接入(多用戶傳輸)

在Wi-Fi終端大規(guī)模普及的當(dāng)下，多終端接入同一Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的場景可以說是無處不在，針對這種高密度接入場景，以往的技術(shù)總處于束手無策的狀態(tài)。那針對這種高密度接入場景Wi-Fi 6又有什么解決妙招呢？這就得看Wi-Fi 6使用的MU-MIMO和OFDMA技術(shù)了。

高密度接入——MU-MIMO（多用戶多進(jìn)多出）

MIMO技術(shù)，即多天線同步收發(fā)，通常以I×O來標(biāo)識接收/發(fā)送的天線數(shù)，通過MIMO技術(shù)改善了單終端的傳輸效率和質(zhì)量。傳統(tǒng)MIMO技術(shù)嚴(yán)格來說也叫SU-MIMO（Single-user MIMO，單用戶MIMO），雖然它支持多天線同步傳輸，但在同一信道同一時刻，無線AP只能與一個終端通信，即多終端之間仍為串行傳輸。SU-MIMO通信示意圖見圖7。

▲圖7：Single-user MIMO通信示意圖

相較于SU-MIMO，MU-MIMO（Multi-User MIMO，多用戶MIMO）解決了同一時刻無線AP只能與一個終端通信的限制。MU-MIMO技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)多臺終端同時進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，提升多終端下的傳輸效率和質(zhì)量。

MU-MIMO技術(shù)在Wi-Fi 5的Wave2階段已經(jīng)有所使用，不過只能使用在AP的下行方向，算是不完整的MU-MIMO。Wi-Fi 6技術(shù)使用了完整的MU-MIMO技術(shù)，同時支持上下行8×8的MU-MIMO。下面我們就來看看Wi-Fi 6中下行MU-MIMO技術(shù)和新增加的上行MU-MIMO具體的實(shí)現(xiàn)原理。

下行MU-MIMO

下行MU-MIMO的基本實(shí)現(xiàn)原理與Wi-Fi 5使用的下行MU-MIMO相同，都需要終端知道信道信息（CSI，channel state information）來進(jìn)行預(yù)編碼或波束成形。具體過程為AP主動發(fā)送NDP（Null Data Packet）幀來交互完成信道信息反饋，形成相應(yīng)的信道矩陣，這里涉及到一個新的概念“信道矩陣”，信道矩陣是MIMO系統(tǒng)中的一種信道狀態(tài)信息，如圖8所示，圖里的h1，h2，h3和h4這4個數(shù)字就組成了一個正方形的陣列，又叫矩陣，這時的信道矩陣狀態(tài)為2×2 MIMO的信道矩陣。

▲圖8：信道矩陣示意圖

當(dāng)AP主動發(fā)送NDP幀交互完成信道矩陣的參數(shù)后，AP就會進(jìn)行波束成形，以實(shí)現(xiàn)多個用戶的同時傳輸，基本原理如圖9所示：

▲圖9：AP使用MU-MIMO波束成形為坐落在不同空間位置的多個用戶服務(wù)

整個下行MU-MIMO報文交互過程如圖10所示，由AP端(Beamformer)發(fā)送NDP-A（Null Data Packet Announcement）、NDP和Trigger幀，然后STA端通過反饋幀（Feedback frame）反饋信道矩陣信息，此時AP端再根據(jù)反饋信息進(jìn)行預(yù)編碼，以實(shí)現(xiàn)波束成形，避免了用戶之間的互相干擾。

▲圖10：AP請求MU-MIMO操作的信道信息

圖10控制幀作用注釋：

NDP-A幀：主要作用是對需要反饋信道信息的用戶進(jìn)行通告；

NDP幀：用于分組開始的檢測、信道估計和時間同步等；

Trigger幀：主要包含PPDU（PHY Protocol Data Unit，物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元）長度和MCS。

這三種控制幀只有支持MU-MIMO的終端才能識別。

在完成信道信息反饋之后，AP就向所有的MU-MIMO用戶同時發(fā)送數(shù)據(jù)信息，并會指定某一STA（圖11中的STA1）采用隱式塊確認(rèn)（BA幀）請求應(yīng)答的方式，其余STA（圖11中的STA2和STA3）采用塊確認(rèn)（BA幀）確認(rèn)應(yīng)答方式；在STA1收到數(shù)據(jù)后，會等待SIFS（Short interframe space，短幀間間隔）時間，之后回復(fù)隱式塊確認(rèn)（BA幀），其余STA在收到數(shù)據(jù)后記錄狀態(tài)，等待AP回復(fù)輪詢幀（BAR）后才能發(fā)送BA幀,AP依次發(fā)送BAR幀來取回對應(yīng)STA的BA幀，等BA幀全部拿到后，AP再發(fā)送下一個MU數(shù)據(jù)幀，發(fā)送報文具體流程如圖11所示：

▲圖11：AP向MU-MIMO用戶發(fā)送信息

上行MU-MIMO

上行MU-MIMO技術(shù)為Wi-Fi 6新增的功能特性，主要實(shí)現(xiàn)方式是AP通過發(fā)送一個觸發(fā)幀的方式來啟動多個STA的上行同步傳輸。上行MU-MIMO與SU-MIMO原理相似，不同點(diǎn)在于SU-MIMO是由相同STA發(fā)送單條或多條空間流，上行MU-MIMO的多條空間流來自不同STA。

AP發(fā)送觸發(fā)幀啟動多個STA上行同步傳輸時，AP將信道矩陣應(yīng)用于所接收的波束，并將每個上行波束包含的信息分開，從而接收來自所有參與STA的波束形成反饋信息。AP上行MU-MIMO原理示意圖見圖12：

▲圖12：AP上行MU-MIMO原理示意圖

上行MU-MIMO的具體交互過程圖13所示，先由AP發(fā)送觸發(fā)幀HE_Trigger，聲明STA發(fā)送時間(When)、Payload持續(xù)時間、PE(攜帶設(shè)備能力信息的幀)、GI類型等，當(dāng)STA收到這些參數(shù)后則會根據(jù)要求發(fā)送UL MU PPDU（Up Load Multi-User PHY Protocol Data Unit,上行多用戶物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元），在AP端同時接收解調(diào)獲得用戶信息。

▲圖13：上行MU-MIMO的交互過程

基于觸發(fā)幀HE_Trigger的上行傳輸機(jī)制，對發(fā)送用戶STA端在傳輸時間、頻率、采樣時鐘以及功率有要求，目的在于減少接收AP端的同步問題。頻率和采樣時鐘的同步可以防止ICI（Inter Channel Interference，信道間干擾）干擾，功率預(yù)補(bǔ)償可以減少接收端用戶信號的互相干擾。

高密度接入——OFDMA（正交頻分多址）

Wi-Fi從802.11a（1999年發(fā)布的第三代Wi-Fi協(xié)議）開始就采用OFDM調(diào)制作為核心信道調(diào)制方案，Wi-Fi 6在OFDM的基礎(chǔ)上加入多址（即多用戶）技術(shù)，從而演進(jìn)成OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交頻分多址）。

以往我們熟悉的OFDM調(diào)制其原理是將信道切分為子載波，但單一信道內(nèi)的子載波須同時使用。OFDMA調(diào)制則更進(jìn)一步，將現(xiàn)有的802.11信道(20、40、80和160MHz寬度)劃分成具有固定數(shù)量子載波的較小子信道，并將特定子載波集進(jìn)一步指派給個別STA，從而為多個用戶同時服務(wù)。圖14說明了Wi-Fi 6系統(tǒng)如何使用不同大小的資源單位進(jìn)行信道頻分多任務(wù)。

▲圖14：OFDM和OFDMA工作模式對比

OFDMA是成熟有效的4G蜂窩技術(shù)，Wi-Fi 6標(biāo)準(zhǔn)也仿效LTE專有名詞，將最小子信道稱為“RU”(Resource Unit，資源單位)，每個RU當(dāng)中至少包含26個子載波（相當(dāng)于2MHz頻寬）。Wi-Fi 6規(guī)定了不同大小RU所包含的子載波數(shù)量，包括有26/52/106/242/484/996/2*996 等多種規(guī)格。

以頻寬20MHz為例，在OFDM方案里每一幀由52個數(shù)據(jù)子載波組成，這組子載波只能為一個終端服務(wù)，如果該終端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包較�。ㄈ缌奶煜�息），根本就裝不滿52個子載波，那么空載的子載波也無法分配給其他終端。

在OFDMA方案里每一幀由242個數(shù)據(jù)子載波組成，并在幀內(nèi)進(jìn)行二次分組，以每26個子載波定義為一個RU（Resource Unit，資源單元），每個RU可以為一個終端服務(wù)，那么每一幀就被分成9份，可以同時為9個用戶服務(wù)。

▲圖15：頻寬為20MHz下不同規(guī)格的RU分布

為了方便大家更直觀地理解OFDMA技術(shù)帶來的優(yōu)勢，可以用貨車?yán)�貨舉例對比。

OFDM方案是按訂單發(fā)車，不管貨物大小，來一單發(fā)一趟，哪怕是一小件貨物，也發(fā)一輛車，這就導(dǎo)致車廂經(jīng)常是空蕩蕩的，效率低下，浪費(fèi)了資源。OFDMA方案則會將多個訂單聚合起來，盡量讓卡車滿載上路，使得運(yùn)輸效率大大提升。

▲圖16：OFDM與OFDMA流量傳輸類比示意圖

通過了解OFDMA的工作機(jī)制可以看到，OFDMA實(shí)現(xiàn)了多個用戶同時進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這增加了空口效率，接下來我們分別看一下上行OFDMA和下行OFDMA的工作原理。

下行OFDMA

▲圖17：下行OFDMA的數(shù)據(jù)發(fā)送過程

由于存在小于20MHz頻寬的終端（如圖15所示，Wi-Fi 6協(xié)議規(guī)定的最小頻寬20MHz可以分給9個終端使用，每個RU包含26個子載波數(shù)，因此可能存在小于20MHz的頻寬），因此在一開始發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中，如果存在小于20MHz時，每個終端都會發(fā)送一個20MHz頻寬的前導(dǎo)(Preamble)幀。

由于下行OFDMA是在頻域上將原有的頻寬進(jìn)一步分解為一個個小頻寬，STA接收到數(shù)據(jù)之后可以在頻域上進(jìn)行分離解碼操作，因此并不需要像下行MU-MIMO那樣需要反饋信道信息矩陣，也不需要NDP，NDP-A等幀的交互。

上行OFDMA

上行OFDMA的整個過程同上行MU-MIMO的過程類似，也需要由AP首先發(fā)起，因此AP需要先發(fā)送一個觸發(fā)幀才能啟動上行OFDMA。

▲圖18：上行OFDMA的交互過程

該觸發(fā)幀（Trigger frame）的主要作用是表明空間流數(shù)量、OFDMA相應(yīng)的資源分配(包括頻率以及每個用戶的RU大小)、PPDU（PHY Protocol Data Unit，物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元）的持續(xù)時間，還包括有用戶的發(fā)送功率控制信息以保證多個用戶在AP處的接收功率基本相同。

與上行MU-MIMO類似，基于觸發(fā)幀的上行傳輸機(jī)制，對發(fā)送用戶STA端在傳輸時間、頻率、采樣時鐘以及功率有要求，目的在于減少接收AP端的同步問題。頻率和采樣時鐘的同步可以防止ICI（信道間干擾,Inter Channel Interference）干擾，功率預(yù)補(bǔ)償可以減少接收端用戶信號的互相干擾。

高密度接入技術(shù)小結(jié)

看完前面MU-MIMO和OFDMA的介紹，你是否覺得OFDMA跟MU-MIMO差不多呢？都是解決多用戶的上下行，提高了無線的接入密度，但其實(shí)兩者差別還是很大的。盡管兩者均為并行傳輸解決方案，但既不是迭代關(guān)系，也不是競爭關(guān)系，而是互補(bǔ)關(guān)系。它們的技術(shù)原理不盡相同，適用的場景也有所區(qū)別，具體使用時需要根據(jù)服務(wù)的應(yīng)用類型而定。

▲圖19：MU-MIMO與OFDMA適用場景的對比

MU-MIMO：實(shí)現(xiàn)物理空間上的多路并發(fā)，適用于大數(shù)據(jù)包的并行傳輸（如視頻、下載等應(yīng)用），提升多空間流的利用率與系統(tǒng)容量，提高單用戶的有效頻寬，同樣能降低時延。但運(yùn)行狀態(tài)不夠穩(wěn)定，很容易受終端影響。

OFDMA：實(shí)現(xiàn)頻域空間的多路并發(fā)，適用于小數(shù)據(jù)包的并行傳輸（如網(wǎng)頁瀏覽、即時消息等應(yīng)用），提升單空間流的信道利用率與傳輸效率，減少應(yīng)用延遲與用戶排隊(duì)。運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，不容易受終端影響。

因此MU-MIMO和OFDMA兩種方案完全不沖突，在實(shí)際使用中也經(jīng)常是疊加使用。部署時基于每個業(yè)務(wù)進(jìn)行資源分配（如網(wǎng)頁瀏覽、視頻觀看、下載、即時消息等各類業(yè)務(wù)場景），通過設(shè)計合理MU-MIMO和OFDMA能有效降低密集多用戶情況下終端上下行隨機(jī)接入造成的沖突，有效的改善多用戶高密度接入場景的使用體驗(yàn)。在實(shí)際使用過程中用戶無需關(guān)心并行傳輸背后的運(yùn)行機(jī)制，使用時真實(shí)的感受就是，再多的終端網(wǎng)絡(luò)也不卡頓，使用起來真的很“6”。

四、“6”的原因三：抗干擾——SR(空間復(fù)用)

在Wi-Fi信號無處不在的時代，無線之間的干擾也是無處不在的。無線信號的干擾主要有兩種：

鄰頻干擾：相鄰頻段的無線電波疊加引起干擾，此干擾會導(dǎo)致數(shù)據(jù)損壞；

同頻干擾：雖然不會損壞數(shù)據(jù)，但會使競爭開銷增加。

造成這些干擾，原因表面上看是由于我們環(huán)境中經(jīng)常遇到很多孤立安裝的AP，因此無線信號出現(xiàn)了很多交叉覆蓋從而造成了干擾。但從技術(shù)原理層面來看，造成干擾的原因是由于傳統(tǒng)802.11技術(shù)是使用了載波監(jiān)聽多路訪問/沖突避免技術(shù)（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance,CSMA/CA）來實(shí)現(xiàn)接入控制。

CSMA/CA技術(shù)使用單個空閑信道評估（CCA，Clear Channel Assessment）規(guī)則，這一規(guī)則統(tǒng)一地作用于所有無線設(shè)備之上，同一區(qū)域內(nèi)的所有無線設(shè)備通過能量檢測和載波偵聽來判斷信道是否空閑。當(dāng)某臺Wi-Fi設(shè)備（客戶端或者AP）收聽到Wi-Fi幀信號功率高于某個預(yù)設(shè)閥值的時候，便會等待其發(fā)送完畢后再發(fā)送自己的幀。這種輪詢等候機(jī)制避免了過度沖突和頻繁重試，但這種機(jī)制也大幅度增加了Wi-Fi設(shè)備（客戶端或者AP）的等待時間，降低了整個無線系統(tǒng)的傳輸效率和性能。

在實(shí)際部署中，基于在AP的收包邏輯又放大了這種性能限制。在AP的收包邏輯中，只有大于最小靈敏度的報文才能被正確解調(diào)，當(dāng)報文被正確解調(diào)時，功率大于CCA-SD（Clear Channel Assessment Signal Detection，同頻干擾退避）的報文會引發(fā)退避，但為了保證不錯過發(fā)給自己的報文，在使用Wi-Fi 4/5協(xié)議的時候一般都把CCA-SD的功率設(shè)置的很低，很多AP是直接把CCA-SD的功率直接設(shè)置成最小靈敏度的功率，這樣同頻干擾退避變的更容易發(fā)生，進(jìn)一步降低了整個無線系統(tǒng)的性能，即使增加AP也不能擴(kuò)展無線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)容量。Wi-Fi 4/5的發(fā)包原則如圖20所示：

▲圖20：Wi-Fi 4/5發(fā)包原則

抗干擾——動態(tài)CCA和空間復(fù)用

為了解決CSMA/CA技術(shù)在密集AP環(huán)境中性能低下的問題，Wi-Fi 6提出了一種信道空間復(fù)用技術(shù)（Spatial Reuse Technique），這一技術(shù)是使用BSS（Basic Service Set，基礎(chǔ)服務(wù)集合）著色位（Color Bit）來標(biāo)識這個數(shù)據(jù)幀屬于哪個BSS，因此也被稱作“BSS著色”（BSS coloring）技術(shù)。

通過“BSS著色”技術(shù)，無線設(shè)備（客戶端或者AP）可以通過新增的著色位（Color Bit）來識別來無線報文是來自BSS還是OBSS(0verlapping Basic Service Sets,重疊基本服務(wù)集)的信號，這樣就能利用提升BSS之間的CCA-SD（Clear Channel Assessment Signal Detection）的門限，動態(tài)的降低BSS內(nèi)部的CCA-SD門限來實(shí)現(xiàn)對OBSS相應(yīng)數(shù)據(jù)幀的忽略。即與Wi-Fi 4/5時使用單個CCA電壓檢測值來確定信道是否“空閑”不同，“BSS著色”技術(shù)可以基于兩個值來判斷，一個是BSS之間的CCA-SD，另外一個是針對OBSS CCA-SD，這樣來自O(shè)BSS的報文就不會產(chǎn)生不必要的空口沖突，如圖21所示：

▲圖21：使用BSS Coloring進(jìn)行信道空閑評估

抗干擾技術(shù)小結(jié)

通過“BSS著色”技術(shù)，無線傳輸在其開始時就被標(biāo)記，這會幫助周圍其它設(shè)備決定是否允許無線介質(zhì)被同時使用。即使來自相鄰網(wǎng)絡(luò)的檢測信號能量超過傳統(tǒng)信號檢測閾值，只要適當(dāng)?shù)販p小新傳輸?shù)陌l(fā)射功率，就允許將無線介質(zhì)視為空閑并開始新的傳輸，提高了無線系統(tǒng)的抗干擾能力。

但對于Wi-Fi 6的抗干擾并發(fā)增益的獲取，并不能單純地依賴標(biāo)準(zhǔn)制定的著色位（Color Bit）和動態(tài)CCA接口去完成，AP還需要能實(shí)時感知到周邊無線環(huán)境和有效的動態(tài)空間復(fù)用算法，只有兩者結(jié)合才能更好的來判斷收到非本BSS的干擾報文時，自己是否可以發(fā)包。

銳捷網(wǎng)絡(luò)在Wi-Fi 6芯片還未面世時，就詳細(xì)分析了Wi-Fi 6的空間復(fù)用技術(shù)，并將該技術(shù)移植到現(xiàn)有的Wi-Fi 4/5協(xié)議中，提出Pre-ax算法，該算法通過收集同頻AP的強(qiáng)度和用戶在各個AP上的RSSI（Received Signal Strength Indicator，接收信號的強(qiáng)度指示），從而動態(tài)的調(diào)整CCA的門限，實(shí)現(xiàn)高密度組網(wǎng)下的高并發(fā)，有效提高了無線網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量。在Wi-Fi 6 AP的設(shè)計中，該算法將會根據(jù)協(xié)議提供標(biāo)的準(zhǔn)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，從而可以實(shí)現(xiàn)更好的干擾管理效果以及更高的并發(fā)復(fù)用性能。

五、其他技術(shù)改進(jìn)

節(jié)電管理技術(shù)——TWT（目標(biāo)喚醒時間）

目標(biāo)喚醒時間TWT(Target Wakeup Time)，這是Wi-Fi 6另一個新增的重要資源調(diào)度功能，此功能借鑒于802.11ah標(biāo)準(zhǔn)。“目標(biāo)喚醒時間(TWT)”就如它的名字描述的一樣，允許設(shè)備協(xié)商他們什么時候和多久進(jìn)行喚醒發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，允許設(shè)備在信標(biāo)傳輸周期的其他時間段喚醒；此外，無線接入點(diǎn)可以將客戶端設(shè)備分組到不同的TWT周期，從而減少喚醒后同時競爭無線介質(zhì)的設(shè)備數(shù)量。TWT還增加了設(shè)備睡眠時間，在自身的TWT來臨之前進(jìn)入睡眠狀態(tài)，從而延長電池使用壽命。

Wi-Fi 6 AP還可另外設(shè)定編排議程，并將TWT值提供給STA，這樣一來，雙方之間就不需要存在個別的TWT協(xié)議，此操作稱為“廣播TWT操作”，“廣播TWT操作”示意圖見圖22：

▲圖22：TWT廣播目標(biāo)喚醒時間操作示意圖

圖22名詞解釋：

TBTT（Target Beacon Transmission Time）：信標(biāo)預(yù)定傳送時間，實(shí)際上這個是一個定時后的發(fā)送/接受Beacon動作的周期，其周期的時間是由Beacon Interval所決定的。

Listen Interval：監(jiān)聽間隔是指工作站兩次蘇醒之間，歷經(jīng)多少次TBTT，也就是跳過了多少個Beacon幀

“廣播TWT操作”還可配合OFDMA技術(shù)使用，實(shí)現(xiàn)同時喚醒多個設(shè)備實(shí)現(xiàn)傳輸視頻、語音和物聯(lián)網(wǎng)等不同業(yè)務(wù)的多設(shè)備并行連接，并根據(jù)不同業(yè)務(wù)調(diào)整流量比例和優(yōu)先級，從而提升整個無線網(wǎng)絡(luò)的用戶體驗(yàn)。

2.4G/5G雙頻設(shè)計

Wi-Fi 5僅支持5G頻段，在技術(shù)上無法完全取代支持2.4G頻段的Wi-Fi 4，因此所謂的Wi-Fi 4與Wi-Fi 5在標(biāo)準(zhǔn)上來看都可以把他們看成是平行的標(biāo)準(zhǔn)，而當(dāng)下主流的Wi-Fi 5無線AP，實(shí)際都是Wi-Fi 4/5(802.11n/802.11ac)雙制式的產(chǎn)物。

最新的Wi-Fi 6標(biāo)準(zhǔn)是可同時工作在2.4G和5G頻段下的無線協(xié)議。因此可以說Wi-Fi 6才是Wi-Fi 4的下一代技術(shù)，可完整實(shí)現(xiàn)后向兼容，實(shí)現(xiàn)真正的技術(shù)迭代。

六、銳捷網(wǎng)絡(luò)在Wi-Fi 6場景的探索

銳捷網(wǎng)絡(luò)針對室內(nèi)多路徑衰落環(huán)境、室外遠(yuǎn)距離傳輸場景和多用戶高密度接入（多用戶小報文、多用戶大報文、多用戶上傳等）場景均有規(guī)模部署實(shí)踐，銳捷網(wǎng)絡(luò)后續(xù)將持續(xù)為各行業(yè)的不同場景推出更有針對性、變革性的綜合解決方案，讓每一位客戶、每一位用戶在未來的各個場景里都有意想不到的無線體驗(yàn)，讓大家的Wi-Fi能酣暢淋漓的“6”起來。

本期作者：李健明

銳捷網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)部行業(yè)咨詢

作者：李健明 來源：C114通信網(wǎng)